微生物功能群对硫化物矿区次生铁硫酸盐矿物的还原作用及重金属的二次释放

目前,人们对硫化物矿区铁、硫元素的氧化过程研究得比较详细，但对次生铁硫酸盐矿物的微生物还原过程却知之甚少。而后者正是构成硫化物矿区铁、硫元素循环的另一个关键环节，并且与还原过程相伴的重金属二次释放则又关系到矿区地表水和地下水的二次污染等重大环境问题。本项目以江西德兴铜矿和安徽铜陵铅锌矿尾矿坝为主要研究区，考察尾矿坝地区微生物功能群的空间分布特征与矿物组合、孔隙水地球化学特征之间的关系，探讨还原条件下微生物在矿物相变中的作用。同时，针对尾矿坝的实际情况，在室内系统开展酸性条件下，异化铁还原菌（DIRB）、硫酸盐还原菌(SRB)以及它们的混合培养物、矿区厌氧微生物的富集培养物对矿区次生硫酸盐矿物（如黄钾铁矾和施氏矿物）的还原作用。进而阐明在微生物还原过程中，矿物表面吸附的以及矿物晶格中的重金属的二次释放过程、重新沉淀机理和沉淀物的特征等，为硫化物矿区的环境治理提供理论和实验依据。

项目以硫化物开发以及后续的尾矿处理过程中所面临的微生物对矿物的转化以及有害金属的迁移为切入口，依托安徽铜陵多金属矿区，系统开展了尾矿区微生物群落的空间分布特征，以及它们与含铁矿物的相互作用。研究结果对深入刻画微生物介导下的Fe/S循环的机理、过程以及重金属的地球化学行为具有重要通过野外采样以及室内的分子生物学及模拟实验，取得了以下重要成果：（1）产甲烷菌能够利用H2和CO2为底物，还原针铁矿，且电子穿梭体（AQDS）的存在可以加速针铁矿的还原，提高了人们对酸性矿坑水地区常见矿物针铁矿在厌氧环境下生物稳定性的认识；（2）澄清了酸性矿坑水地区（高SO42-、低pH）重金属Pb的微生物毒性研究中的误区，发现Pb的生物毒性与加入实验体系中的总Pb的量并不是直接相关，因为在这种条件下，加入实验体系中的Pb会以PbSO4的形式沉淀下来，从而降低其生物有效性。由于PbSO4的溶解度极低，从而导致水体中可溶Pb的浓度极低，对微生物的影响较小。而先前报道的因不同浓度的Pb(NO3)2的加入而抑制Acidithiobacillus ferrooxidans的结果则是来自于NO3-的作用。这一结果对理解研究区Pb的生物地球化学行为及生物毒性具有重要意义；（3）分子生物学研究结果表明，电导率是控制铜陵狮子山尾矿坝地区微生物群落空间分布的重要因子，且微生物群落的组成与S和Fe的氧化还原密切相关。为了探讨大尺度下pH对微生物群落结构的影响，项目还开展了酸性泥炭地中微生物群落结构的对比研究，并取得了一些初步认识。此外，在项目执行期间还组织召开了第二届地球生物学国际会议，扩大了国际影响。